JP2010159757A - Method and apparatus to facilitate cooling of diffusion tip within gas turbine engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンに使用する燃料ノズルの拡散チップに関する。 The present invention relates generally to gas turbine engines, and more particularly to a fuel nozzle diffusion tip for use in a gas turbine engine.
少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンでは、燃焼器内で燃料混合気を点火することにより、高温ガス流路を介して下流方向に流れてタービンに至る燃焼ガス流を生じる。圧縮空気は、コンプレッサから燃焼器へ流れる。既知の燃焼器アセンブリには、燃焼器内に画定された燃焼帯へ燃料と空気を導入し易くするための燃料ノズルが設けられている。タービンでは、燃焼ガス流の熱エネルギーが、タービン軸を回転させる機械エネルギーに変換される。タービンの出力により、例えば発電機やポンプなどの機械に動力を供給することができる。 In at least some known gas turbine engines, igniting the fuel mixture in the combustor produces a flow of combustion gas that flows downstream through the hot gas flow path to the turbine. Compressed air flows from the compressor to the combustor. Known combustor assemblies are provided with a fuel nozzle to facilitate the introduction of fuel and air into a combustion zone defined within the combustor. In the turbine, the thermal energy of the combustion gas stream is converted into mechanical energy that rotates the turbine shaft. Power can be supplied to a machine such as a generator or a pump by the output of the turbine.
少なくとも一部の既知の燃料ノズルには、拡散チップが設けられている。拡散チップは、燃料、空気、又は、その両方を組み合わせたものが通り、燃料ノズルの主予混合回路と共に機能する通路である。燃料及び/又は空気は混合された後、チップから吐出されて点火し、燃焼帯へと運搬される。 At least some known fuel nozzles are provided with diffusion tips. The diffusion tip is a passage through which fuel, air, or a combination of both pass and which functions with the main premixing circuit of the fuel nozzle. After the fuel and / or air are mixed, they are discharged from the tip, ignited, and transported to the combustion zone.
動作中、燃料及び/又は空気が、既知の拡散チップに形成された複数の通路を通って流れ、拡散チップを出た後に燃焼することが一般的である。その場合、拡散チップの外面が高温の燃焼ガスにさらされることになる。継続的に高温にさらされた拡散チップには、熱応力が生じる。そのような熱応力により、時間が経つにつれて、拡散チップには亀裂及び/又は機械的破壊が生じる。少なくとも一部の既知の拡散チップには、拡散チップの温度低下を促すよう、様々な冷却回路が設けられている。しかし、そのような冷却回路では、燃料濃度が高くなり、拡散チップにすすが付着し易くなり、不都合である。すすが付着すると、燃料ノズルの流れ特性に悪影響が及んだり、燃焼温度が上昇したりする。流れ特性が変化し、更に燃焼温度が上昇すると、燃料ノズル構成部品の動作に悪影響が及ぶ。例えば、金属合金が熱劣化したり焼鈍されたりすると、構成部品の構造的な一体性が劣化することになる。 During operation, it is common for fuel and / or air to flow through a plurality of passages formed in a known diffusion tip and burn after exiting the diffusion tip. In that case, the outer surface of the diffusion tip is exposed to high-temperature combustion gas. Thermal stress occurs in the diffusion tip that is continuously exposed to high temperatures. Such thermal stress causes cracks and / or mechanical failure in the diffusion tip over time. At least some known diffusion chips are provided with various cooling circuits to promote a temperature drop of the diffusion chip. However, such a cooling circuit is disadvantageous because the fuel concentration is high and soot is likely to adhere to the diffusion chip. If soot adheres, the flow characteristics of the fuel nozzle will be adversely affected and the combustion temperature will rise. Changes in flow characteristics and further increases in combustion temperature adversely affect the operation of the fuel nozzle components. For example, when a metal alloy is thermally deteriorated or annealed, the structural integrity of the component parts deteriorates.
また、拡散チップの動作温度が上昇すると、例えば燃焼器ライナー及び/又はトランジションピースアセンブリなどの火炎に近い燃焼器の機械設備の摩耗が早まる。その結果、燃焼温度が低温に維持したときに比して、このような燃焼器の機械設備を頻繁に交換する必要が生じたり、修理コストが増大することになる。少なくとも一部の既知の燃焼器では、高温動作に対応するよう、熱摩耗に対して高い耐性を有する特殊な合金製の構成部品が用いられている。しかし、高い熱耐性を有する特殊な合金製の構成部品を用いたエンジンは、このような構成部品を燃焼器に用いていないエンジンに比べて、エンジンのコストが高く、重量が重くなる。 Also, increasing the operating temperature of the diffusion tip prematurely wears combustor machinery near a flame, such as a combustor liner and / or transition piece assembly. As a result, compared to when the combustion temperature is maintained at a low temperature, the mechanical equipment of such a combustor needs to be frequently replaced, and the repair cost increases. At least some known combustors use special alloy components that are highly resistant to thermal wear to accommodate high temperature operation. However, an engine using a special alloy component having high heat resistance is higher in cost and weight than an engine that does not use such a component in a combustor.
したがって、ガスタービンエンジンの拡散チップの冷却を容易にする方法及び装置が提供されることが求められる。 Accordingly, there is a need to provide a method and apparatus that facilitates cooling a diffusion tip of a gas turbine engine.
本発明の一実施形態において、ガスタービンエンジンを組み立てる方法を開示する。本方法は、ほぼ円形の断面領域を有する本体を含む拡散チップを有する燃料ノズルを設けることを含む。拡散チップ本体は、外面と、外面の反対側の内面と、本体の端部に隣接した入口面とを有する。入口面は、本体内面から半径方向内側に位置する。拡散チップ本体は更に、入口面の反対側にある吐出面を有する。本方法は更に、吐出面から入口面まで延在する複数の拡散孔の各々が拡散流を燃料ノズルから吐出する向きになるよう、燃料ノズルを燃焼器アセンブリ内に連結することを含む。拡散流は、X−Z平面上に延在する角度であって、孔の中心線と外面に対して接線方向に延在するX軸との間に角度γ(ガンマ)をなして、また、Y−Z平面上に延在する角度であって、中心線と中心線から半径方向外方に延在するY軸との間を測定した角度θ(シータ)をなして吐出される。 In one embodiment of the present invention, a method for assembling a gas turbine engine is disclosed. The method includes providing a fuel nozzle having a diffusion tip that includes a body having a substantially circular cross-sectional area. The diffusion tip body has an outer surface, an inner surface opposite the outer surface, and an inlet surface adjacent to the end of the body. The entrance surface is located radially inward from the inner surface of the main body. The diffusion tip body further has a discharge surface opposite the inlet surface. The method further includes coupling the fuel nozzle into the combustor assembly such that each of the plurality of diffusion holes extending from the discharge surface to the inlet surface is oriented to discharge a diffusion flow from the fuel nozzle. The diffusion flow is an angle extending on the XZ plane, forming an angle γ (gamma) between the center line of the hole and the X axis extending tangential to the outer surface, and It is discharged at an angle extending on the Y-Z plane and having an angle θ (theta) measured between the center line and the Y axis extending radially outward from the center line.
本発明の別の実施形態において、燃料ノズルに使用する拡散チップを開示する。拡散チップは、外面及びその反対側の内面を含むほぼ円形の本体を有する。拡散チップ本体は、吐出端部から入口端部まで延在する。拡散チップは、吐出端部に隣接して本体内に画定された入口面を含む。入口面の反対側には、吐出面が画定されている。複数の拡散孔が、それぞれ吐出面及び入口面間に延在しており、各孔は本体に対して、X−Z平面上で孔の中心線と外面に対して接線方向に延在するX軸との間に角度γ(ガンマ)をなして、且つ、Y−Z平面上で孔の中心線と中心線から半径方向外方に延在するY軸との間に角度θ(シータ)をなして、拡散流を外向きに吐出するよう配向されている。 In another embodiment of the present invention, a diffusion tip for use in a fuel nozzle is disclosed. The diffusion tip has a generally circular body that includes an outer surface and an opposite inner surface. The diffusion tip body extends from the discharge end to the inlet end. The diffusion tip includes an inlet surface defined in the body adjacent the discharge end. A discharge surface is defined on the opposite side of the inlet surface. A plurality of diffusion holes respectively extend between the discharge surface and the entrance surface, and each hole extends in a direction tangential to the center line and the outer surface of the hole on the XZ plane with respect to the main body. An angle γ (gamma) is formed between the axis and the angle θ (theta) between the center line of the hole and the Y axis extending radially outward from the center line on the YZ plane. Instead, it is oriented to discharge the diffusion flow outward.
本発明の更に別の実施形態において、ガスタービンエンジンに使用する燃焼器アセンブリを開示する。燃焼器アセンブリは、燃焼器及び燃料ノズルを備える。燃料ノズルは、燃料を燃焼器内へ吐出するよう構成されている。燃料ノズルは、入口端部から吐出端部まで延在するほぼ円形の本体を有する拡散チップを有し、吐出端部に隣接して入口面が本体内に画定されている。本体は、入口面の反対の吐出面と、それぞれ吐出面から入口面まで延在する複数の拡散孔とを有する。各孔は、本体に対して、X−Z平面上で孔の中心線と外面に対して接線方向に延在するX軸との間に角度γ(ガンマ)をなして、また、Y−Z平面上で中心線と中心線から半径方向外方に延在するY軸との間に角度θ(シータ)をなして、拡散流を吐出するよう配向されている。 In yet another embodiment of the present invention, a combustor assembly for use in a gas turbine engine is disclosed. The combustor assembly includes a combustor and a fuel nozzle. The fuel nozzle is configured to discharge fuel into the combustor. The fuel nozzle has a diffusion tip having a generally circular body that extends from the inlet end to the discharge end, and an inlet surface is defined in the body adjacent the discharge end. The main body has a discharge surface opposite to the inlet surface and a plurality of diffusion holes each extending from the discharge surface to the inlet surface. Each hole forms an angle γ (gamma) with respect to the main body on the XZ plane between the center line of the hole and the X axis extending tangentially to the outer surface, and YZ The plane is oriented so as to discharge a diffusion flow at an angle θ (theta) between the center line and the Y axis extending radially outward from the center line on a plane.
図1は、例示的なガスタービンエンジン100の概略図である。エンジン100は、コンプレッサアセンブリ102と燃焼器アセンブリ104とを備える。エンジン100はまた、タービン108と、コンプレッサ/タービン共通軸110(ロータ110と称することもある)とを備える。
FIG. 1 is a schematic diagram of an exemplary
動作中、空気はコンプレッサアセンブリ102を通り、そこから圧縮空気が燃焼器アセンブリ104に供給される。燃料は、燃焼器アセンブリ104内に画定された燃焼領域及び/又は燃焼帯へと流れ、この燃料と空気とが混合されて点火する。発生した燃焼ガスがタービン108へと流れ、このガス流の熱エネルギーが、機械的な回転エネルギーに変換される。タービン108は、軸110に対して回転可能に連結されている。本明細書において「流体」という用語は、例えばガス及び空気をはじめとする流動性の任意の媒体又は材料を指すが、これらに限定されるわけではない。
In operation, air passes through the
図2は、燃焼器アセンブリ104の概略断面図である。燃焼器アセンブリ104は、タービンアセンブリ108及びコンプレッサアセンブリ102に流体連通するよう連結されている。例示の実施形態では、コンプレッサアセンブリ102は、互いに流体連通するよう連結されたディフューザ112及びコンプレッサ吐出プレナム114を備える。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
例示の実施形態において、燃焼器アセンブリ104は、タービンハウジング(図示せず)を中心に環状に配列された複数の燃料ノズル222を構造的に支持する、エンドカバー220を有する。エンドカバー220は、保持金具(図2に示さず)を用いて燃焼器ケーシング224に連結されている。燃焼器ライナー226が、燃焼室228を画定してケーシング224内に連結されている。燃焼器ケーシング224と燃焼器ライナー226との間には、燃焼室環状冷却通路229が画定されている。
In the illustrated embodiment, the
燃焼室228には、トランジション部すなわちトランジションピース230が、連結され、これにより、燃焼室228内で発生した燃焼ガスが下流のタービンノズル232の方に向かって流れる。例示の実施形態では、トランジションピース230は、外壁236に複数の開口部234を有する。トランジションピース230はまた、内壁240と外壁236との間に環状通路238を有する。
A transition section or
動作中、タービンアセンブリ108は、軸110(図1に示す)を介してコンプレッサアセンブリ102を駆動させる。コンプレッサアセンブリ102が回転すると、アセンブリ102から出ている矢印で示すように、圧縮空気がディフューザ112内へ吐出される。例示の実施形態では、コンプレッサアセンブリ102から吐出された空気の大部分は、コンプレッサ吐出プレナム114を通って燃焼器アセンブリ104の方へ流れ、圧縮空気の残りの部分が、エンジン100の構成部品の方へ流れてこれらの部品を冷却する。より詳細には、プレナム114内の加圧された圧縮空気は、外壁開口部234を介してトランジションピース230通路238へと流れる。空気は次に、トランジションピース230の環状通路238から燃焼室冷却通路229へ流れる。通路229から吐出された空気は、燃料ノズル222へと流れる。
In operation, the
燃焼室228では、燃料と空気が混合され、点火する。ケーシング224により、燃焼室228を、例えば周囲のタービン構成部品などの外部環境から隔離し易くなる。発生した燃焼ガスは、燃焼室228からトランジションピースの案内溝242を通ってタービンノズル232の方へ流れる。例示の実施形態では、燃料ノズルアセンブリ222は、燃料ノズルフランジ244を介してエンドカバー220に連結されている。
In the
図3は、燃料ノズルアセンブリ222の断面図である。燃料ノズルアセンブリ222は、入口流量コンディショナ(IFC)300、燃料噴射付き旋回翼アセンブリ302、環状の燃料/流体混合通路又は予混合回路304及び中央拡散火炎燃料ノズルアセンブリすなわち拡散チップ306を備える。燃料ノズルアセンブリ222はまた、入口端部310及び吐出端部312を有する高圧プレナム308を備える。プレナム308は、ノズルアセンブリ222に外接する。吐出端部312は、ノズルアセンブリ222に外接している必要はなく、燃焼器反応帯314内へ延出していてもよい。IFC300は、円筒壁318により画定された環状流通路316を含む。壁318は、通路316の内径320を画定し、多孔円筒形外壁322が外径324を画定する。多孔エンドキャップ326が、燃料ノズルアセンブリ222の上流端部に連結されている。例示の実施形態では、流路316は、流路316上に少なくとも1つの環状案内羽根328を有する。なお、例示の実施形態では、ノズルアセンブリ222は更に、燃料と圧縮流体とが燃焼前に混合される予混合ガス燃料回路を画定している。
FIG. 3 is a cross-sectional view of
図4は、拡散チップ306の斜視図である。図5は、拡散チップ306の平面図である。例示の実施形態では、拡散チップ306は、外側面400及びその反対側の内側面402を有する。例示の実施形態では、外側面400は吐出面として構成され、内側面402は入口面として構成されている。拡散チップ306の本体は、断面がほぼ円形であって、外面401、その反対側の内面403、入口端部405及び吐出端部407を有する。拡散チップ306はまた、拡散燃料及び/又は空気を燃焼帯に供給するための複数の拡散孔404を有する。例示の実施形態では、表面400はほぼ平坦である。表面400の形状は、代替的に、凹面形、凸面形、又は、本明細書に記載する拡散チップ306による流体流特性及び炎保持特性を含めて拡散チップ306が本明細書に記載したように機能する任意のものであってよい。
FIG. 4 is a perspective view of the
例示の実施形態では、拡散孔404はそれぞれ、前開口部406と、その反対側の後開口部408を有しており、それぞれの拡散孔404が前開口部406と後開口部408との間に延在している。前開口部406は吐出面400に沿って画定され、後開口部408は入口面402に沿って画定されている。例示の実施形態では、前開口部406の各々は、拡散チップ306の軸方向中心線410の半径Rの位置に画定される。代替的に、開口部406を、拡散チップ306が本明細書に記載したように動作するような任意の向きに配置してもよい。例示の実施形態では、拡散チップ306は、複数列の拡散孔404を有する。拡散孔404は、列毎に、円周方向に間隔505をおいて円形に配列された任意数の孔404から成っていてよい。
In the illustrated embodiment, each of the diffusion holes 404 has a
例示の実施形態では、前開口部406はそれぞれ、半径方向内壁412内に直径Dを有して画定されている。冷却孔すなわち拡散孔404の直径は、次式:
D=d0+d1×((R0−r)/R0)0.2×(1/N)0.4
により表される。ここで、Nは冷却孔の列数であり、d0及びd1は経験的な実験係数であり、R0は冷却孔の平均半径であり、rは列の半径である。一実施形態において、直径Dは、約0.030〜約0.060インチである。拡散孔404はそれぞれ、様々な角度で配向されていてよく(後に詳細を説明する)、その断面形状は、円形、楕円形、又は、拡散チップ306が本明細書に記載するように機能するその他任意のものでよい。
In the illustrated embodiment, the
D = d 0 + d 1 × ((R 0 −r) / R 0 ) 0.2 × (1 / N) 0.4
It is represented by Where N is the number of rows of cooling holes, d 0 and d 1 are empirical experimental coefficients, R 0 is the average radius of the cooling holes, and r is the radius of the row. In one embodiment, the diameter D is about 0.030 to about 0.060 inches. Each of the diffusion holes 404 may be oriented at various angles (discussed in detail below), and its cross-sectional shape may be circular, elliptical, or other such that the
前開口部406はそれぞれ、前開口部406のX軸が半径Rの円に対してほぼ接線方向に並び、Y軸がX軸に対して半径方向にほぼ垂直に並び、Z軸が中心線410にほぼ平行に並ぶ座標位置に画定される。X−Z平面上においてX軸からの角度をγ(ガンマ)とし、Y−Z平面においてY軸からの角度をθ(シータ)とする。例示の実施形態では、拡散孔404はそれぞれ、各々に対応する前開口部406から角度γ及び角度θをなして延出する線Fに沿って設けられる。従って、拡散孔404は、拡散チップ306を中心とした螺旋状に配列される。
The
角度γは、次式:
γ=a+b×((Re,swirler−r)/Re,diffusion)0.74
により表される。ここで、a及びbは経験的な実験係数であり、Re,swirlerは旋回翼アセンブリ302のレイノルズ数であり、Re,diffusionは拡散チップ306の冷却に関するレイノルズ数である。一実施形態において、角度γは、約15°〜約60°である。
The angle γ is:
γ = a + b × (( R e, swirler -r) / R e, diffusion) 0.74
It is represented by Here, a and b are empirical experimental coefficients , Re, swirler is the Reynolds number of the
図5に、拡散チップ306と複数の円形拡散孔アレイ500とを示す。拡散孔アレイ500はそれぞれ、中心線410からそれぞれのアレイに対応する孔の中心502の間である半径上に位置する。例えば、第1拡散孔アレイ500は半径R1上に位置し、第2拡散孔アレイ501は半径R2上に位置する。各孔の中心502は、前開口部406の長軸504の中点に画定される。例示の実施形態では、拡散孔404及び対応のアレイ500及び501は、中心線410の方に向いた少なくとも1つの孔404を含む。更に、例示の実施形態では、最内アレイ501は、半径R2及び孔長軸504間に角度β(ベータ)をなす内向の拡散孔404を含む。角度βは、次式:
β=c+d×(Tfiring/Tcooling)1.16
により表される。ここで、cは経験的な実験係数であり、dは直径Dについて上記した式により定まり、Tfiringは火炎温度であり、Tcoolingは冷却空気温度である。例示の実施形態では、角度β(ベータ)は約0°〜約90°である。代替的に、最外アレイ500は、内方向に角度β(ベータ)をなす、且つ/又は、外方向に半径R1及び軸504間の角度α(アルファ)なす拡散孔404を有してもよい。角度αは、上記した角度βと同じ式により定まる。一実施形態において、角度α(アルファ)は約90°〜約180°である。一実施形態において、最外円形アレイ500は、少なくとも一部が角度α(アルファ)をなし、少なくとも一部が角度β(ベータ)をなして配向された複数の拡散孔404を、交互の向きに有している。
FIG. 5 shows a
β = c + d × (T firing / T cooling ) 1.16
It is represented by Here, c is an empirical experimental coefficient, d is determined by the above formula for the diameter D, T firing is the flame temperature, and T cooling is the cooling air temperature. In the illustrated embodiment, the angle β (beta) is between about 0 ° and about 90 °. Alternatively, the
例示の実施形態では、角度γ(ガンマ)及びθ(シータ)を、拡散チップ306の吐出面400を効率的に冷却するよう、様々に選択することができる。より詳細には、角度γ(ガンマ)を、拡散孔404の後に小さい剥離泡が確実に発生するよう選択する。剥離泡により、吐出面400全体にわたる冷却空気膜層を形成することができる。拡散面400全体にわたってほぼ均一な冷却空気膜層が分布するよう、角度θ(シータ)を様々に選択することができる。更に、例示の実施形態では、拡散チップを最大限まで冷却できる、角度γ(ガンマ)とθ(シータ)の角度の組み合わせを選択する。加えて、拡散チップ306の熱勾配やその他の燃焼特性を最適化するよう、拡散孔404の半径R1及び/又はR2と円周方向間隔505とを選択する。また、拡散チップ306の応力集中を効果的に軽減するよう、孔間隔を選択することもできる。
In the illustrated embodiment, the angles γ (gamma) and θ (theta) can be variously selected to efficiently cool the
図6及び図7に、拡散チップ306の代替実施形態を示す。より詳細には、拡散チップ306が、図6では収束チップ600として、図7では発散チップ700として構成されている。収束チップは、開口部406よりも断面積が大きい開口部408を備えて形成された複数の孔を含む。図6に示すように、開口部408が開口部406よりも大きいので、開口部408と開口部406との間には、収束通路が形成される。図7では、逆に、開口部408の断面積は開口部406よりも小さいので、開口部408と開口部406との間には、発散孔700が画定される。拡散孔404の向き、表面400と表面402との間である拡散チップ306の厚さ、拡散チップ306の前後における圧力降下、並びに、チップ306の必要な熱伝達係数に応じて、燃料ノズル222に収束形の拡散チップ600を用いたり、発散形の拡散チップ700を用いたりできる。代替実施形態では、収束形の孔と発散形の孔の両方を組み合わせて用い、拡散チップを更に効果的に冷却力することもできる。
An alternative embodiment of the
動作中、拡散孔404から気流を吐出することによって、拡散チップ306が効果的に冷却力される。孔404からの拡散流は、拡散回路の流れとなって予混合回路の流れと混合され、共旋回する。その結果、拡散チップ306に隣接して形成される燃焼再循環帯が安定する。拡散孔404の角度方向を様々に選択することにより、予混合回路の流れと拡散孔404から吐出された拡散流とを最適に混合及び/又は共旋回させ、吐出流の接線速度及び軸方向速度を制御することができる。拡散回路の流れと予混合回路の流れを共旋回させることにより、燃焼による炎と拡散チップ面400との接触を防止し易くなるので、拡散チップ面全体の過熱を抑えること及び/又はカーボンブラックの形成を減少させることができる。予混合回路の流れと拡散流を層化することにより、冷却膜効果が増し、拡散チップの温度勾配を抑制し、すすの付着を低減することができる。拡散孔404の向きを様々に異ならせることにより、拡散チップ306の内部表面積が増加するので、拡散チップが冷却し易くなると共に、冷却拡散流の滞留時間が増加し、拡散チップ306の熱伝達率が増加する。更に、動作中、予混合回路の流れと拡散流が共旋回することにより、全体的な流れの旋回が促される。その結果、燃焼室内で混合及び/又は燃焼を効果的に行うことができ、旋回軸が安定するので、燃焼熱音響効果及び火炎振動が低減する。
During operation, the
既知の拡散チップ構造に勝る、本発明による利点を幾つか挙げる。例えば、本明細書に記載した拡散チップの利点の1つは、拡散孔を傾斜させることにより、拡散チップの吐出面全体にわたり冷却流を効果的に生じることである。本明細書に記載した拡散孔の別の利点は、燃料や拡散チップに、例えば蓄積したすすなどの可燃物が接触しにくくすることにより、拡散チップに加わる熱応力を低減することである。本明細書に記載した拡散孔の更に別の利点は、拡散チップの熱伝達効率と冷却効率を増大させることである。明細書に記載した拡散孔の更なる利点は、拡散チップ内に生じる温度勾配を低減することにより、拡散チップをより廉価な材料で作製し、製造コストを削減できることである。 Some advantages of the present invention over known diffusion tip structures are listed. For example, one of the advantages of the diffusion tip described herein is that tilting the diffusion holes effectively creates a cooling flow over the entire discharge surface of the diffusion tip. Another advantage of the diffusion holes described herein is that the thermal stress applied to the diffusion tips is reduced by making the combustibles such as accumulated soot difficult to contact the fuel and diffusion tips. Yet another advantage of the diffusion holes described herein is to increase the heat transfer efficiency and cooling efficiency of the diffusion tips. A further advantage of the diffusion hole described in the specification is that the diffusion tip can be made of a less expensive material and the manufacturing costs can be reduced by reducing the temperature gradient that occurs in the diffusion tip.
以上、ガスタービンエンジンに使用する拡散チップを均等に冷却する方法及び装置の実施形態を例示し、詳細に説明した。本発明の実施形態は、本明細書に記載した特定の実施形態だけではなく、本発明によるシステムに用いる構成要素を本明細書に記載したその他の構成要素と別個独立に用いた形態や、本発明による方法のステップを本明細書に記載したその他のステップと別個独立に実行した形態も、本発明の実施形態に含まれる。例えば、本発明による燃料供給システム及び方法の実施形態を、本明細書に記載の形態だけでなく、その他の燃料供給システム及び方法と組み合わせて実施することができる。また、本明細書に例示した形態を、その他様々なガスタービンエンジンに適用し、実施することもできる。 The embodiment of the method and apparatus for uniformly cooling the diffusion chip used in the gas turbine engine has been described in detail above. Embodiments of the present invention include not only the specific embodiments described herein, but also the configuration in which the components used in the system according to the present invention are used separately from the other components described herein. Embodiments in which the steps of the method according to the invention are performed independently of the other steps described herein are also included in the embodiments of the present invention. For example, embodiments of the fuel supply system and method according to the present invention can be implemented in combination with other fuel supply systems and methods as well as those described herein. Moreover, the form illustrated in the present specification can be applied to various other gas turbine engines.
本発明に係る種々の実施形態の一部の特徴が、説明の便宜上、図面によって示されていないことがある。或る図面に示した特徴とその他の図面に示した特徴とを如何様にも兼ね備えることができ、かかる実施形態も本発明の特許請求の範囲が本質的に含むものとする。 Some features of various embodiments according to the present invention may not be shown by the drawings for convenience of explanation. The features shown in one drawing and the features shown in other drawings can be combined in any way, and such embodiments are also intended to be included within the scope of the claims of the present invention.
本明細書では、最良の態様を含めた様々な例を用いて本発明を説明してきた。これにより、当業者は、本発明に係るあらゆる装置又はシステムを作製したり、本発明に係る方法を実行することができる。本発明の特許可能な範囲は、添付の特許請求の範囲に記載されているが、当業者に想起可能なその他の実施形態も含む。かかるその他の実施形態は、特許請求の範囲に記載の文言と相違ない構成要素を有する限り、或いは、特許請求の範囲に記載の文言と本質的に同様な等価の構成要素を有する限り、本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。 The present invention has been described herein using various examples, including the best mode. This allows a person skilled in the art to make any device or system according to the invention or to carry out the method according to the invention. The patentable scope of the invention is set forth in the appended claims, but includes other embodiments that occur to those skilled in the art. As long as such other embodiments have components that do not differ from the words recited in the claims, or have equivalent components that are essentially the same as the words recited in the claims, the present invention Within the scope of the following claims.
本発明を、種々の実施形態に関して説明してきたが、当業者には明らかなように、これらに修正を加えたものも本発明の特許請求の範囲に含まれる。 While the invention has been described in terms of various embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that modifications may be included within the scope of the claims.
100 ガスタービンエンジン
102 コンプレッサアセンブリ
104 燃焼器アセンブリ
108 タービンアセンブリ
110 コンプレッサ/タービンシャフト
112 ディフューザ
114 コンプレッサ吐出プレナム
220 エンドカバー
222 燃料ノズルアセンブリ
224 燃焼器ケーシング
226 燃焼器ライナー
228 燃焼室
229 燃焼室冷却通路
230 トランジションピース
232 タービンノズル
234 外壁開口部
236 外壁
238 トランジションピースの環状通路
240 内壁
242 トランジションピースの案内溝
244 燃料ノズルフランジ
300 入口流量コンディショナ(IFC)
302 旋回翼アセンブリ
304 通路/予混合回路
306 拡散チップ
308 高圧プレナム
310 入口端部
312 吐出端部
314 燃焼器反応帯
316 環状流通路
318 円筒壁
320 内径
322 多孔円筒形外壁
324 外径
326 多孔エンドキャップ
328 環状案内羽根
400 外側面/拡散チップ表面/吐出面
401 外面
402 反対側の内側面/入口面
403 反対側の内面
404 拡散孔
405 入口端部
406 前開口部
407 吐出端部
408 後開口部
410 軸方向中心線
412 半径方向内壁
500 第1拡散孔アレイ/最外円形アレイ
501 第2拡散孔アレイ/最内アレイ
502 中心
504 孔長軸
505 円周方向間隔
600 収束チップ
700 発散孔/発散チップ
DESCRIPTION OF
302
Claims (10)
外面(401)及び該外面の反対側の内面(403)を有し、吐出端部(407)から入口端部(405)まで延在するほぼ円形の本体と、
該吐出端部に隣接して前記本体内に画定された入口面(402)と、
該入口面の反対側の吐出面(400)と、
該吐出面及び該入口面間に各々延在する複数の拡散孔(404)であって、各々が前記本体に対して、X−Z平面上で該孔の中心線(502)と前記外面に対して接線方向に延在するX軸との間に角度γ(ガンマ)をなして、且つ、Y−Z平面上で該孔の中心線と前記中心線から半径方向外方に延在するY軸との間に角度θ(シータ)をなして、拡散流を外方へ吐出するよう配向された複数の拡散孔(404)とを備える、拡散チップ。 A diffusion tip (306) for use in a fuel nozzle (222),
A generally circular body having an outer surface (401) and an inner surface (403) opposite the outer surface and extending from the discharge end (407) to the inlet end (405);
An inlet surface (402) defined in the body adjacent to the discharge end;
A discharge surface (400) opposite the inlet surface;
A plurality of diffusion holes (404) each extending between the discharge surface and the inlet surface, each being in the center line (502) and the outer surface of the hole on the XZ plane with respect to the main body An angle γ (gamma) is formed between the tangentially extending X-axis and the hole center line and Y extending radially outward from the center line on the Y-Z plane. A diffusion tip comprising a plurality of diffusion holes (404) oriented to discharge the diffusion flow outwardly at an angle θ (theta) with the shaft.
該収束形のテーパ状孔及び該発散形のテーパ状孔により、内部表面積が増加して熱伝達効率が増加する、請求項3に記載の拡散チップ(306)。 Each of the plurality of diffusion holes (404) includes at least one of a convergent tapered hole (600) and a divergent tapered hole (700);
The diffusion tip (306) of claim 3, wherein the converging tapered holes and the diverging tapered holes increase internal surface area and increase heat transfer efficiency.
該内側アレイは、第1半径方向範囲内に位置し、且つ、第1半径及び孔長軸に対して角度β(ベータ)をなして傾斜した少なくとも1つの拡散孔を含み、
該外側アレイは、第2半径方向範囲内に位置し、且つ、第2半径及び孔長軸に対して角度α(アルファ)をなして傾斜した少なくとも1つの拡散孔を含み、
該第1半径方向範囲は該第2半径方向範囲よりも小さい、請求項1に記載の拡散チップ(306)。 The plurality of diffusion holes (404) define a group of inner arrays (501) and a group of outer arrays (500);
The inner array includes at least one diffusion hole located within a first radial extent and inclined at an angle β (beta) with respect to the first radius and the hole major axis;
The outer array includes at least one diffusion hole located within a second radial extent and inclined at an angle α (alpha) with respect to the second radius and the hole major axis;
The diffusion tip (306) of claim 1, wherein the first radial extent is smaller than the second radial extent.
該燃焼器内へ燃料を吐出するよう構成された、拡散チップ(306)を有する燃料ノズル(222)と
を有する、ガスタービンエンジン(100)に使用する燃焼器アセンブリ(104)であって、
該拡散チップは、
外面(401)及び該外面の反対側の内面(403)を有して、入口端部(405)から吐出端部(407)まで延在するほぼ円形の本体、
該吐出端部に隣接して前記本体内に画定された入口面(402)、
該入口面の反対側の吐出面(400)、並びに、
各々が前記吐出面から前記入口面間まで延在する複数の拡散孔(404)であって、該孔の各々が前記本体に対して、X−Z平面上において該孔の中心線(502)と前記外面に対して接線方向に延在するX軸との間に角度γ(ガンマ)をなして、且つ、Y−Z平面上において前記中心線と前記中心線から半径方向外方に延在するY軸との間に角度θ(シータ)をなして、拡散流を吐出するよう配向された複数の拡散孔(404)を備える、
燃焼器アセンブリ。 A combustor,
A combustor assembly (104) for use in a gas turbine engine (100) having a fuel nozzle (222) having a diffusion tip (306) configured to discharge fuel into the combustor;
The diffusion tip is
A generally circular body having an outer surface (401) and an inner surface (403) opposite the outer surface and extending from the inlet end (405) to the discharge end (407);
An inlet surface (402) defined in the body adjacent to the discharge end;
A discharge surface (400) opposite the inlet surface, and
A plurality of diffusion holes (404) each extending from the discharge surface to between the inlet surfaces, each of the holes relative to the main body on the XZ plane on the center line (502) of the holes And an X-axis extending tangentially to the outer surface and forming an angle γ (gamma) and extending radially outward from the center line and the center line on the YZ plane A plurality of diffusion holes (404) oriented to discharge a diffusion flow at an angle θ (theta) with the Y axis.
Combustor assembly.
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